Regionalization methods for low flow estimation in ungauged catchments - a review

• Autorzy: Cupak A.

Warianty tytułu

PL

Przegląd metod wykorzystywanych do regionalizacji charakterystyk przepływu niskiego w zlewniach niekontrolowanych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Aim of the study The purpose of the paper is to look at the topic of estimation of the low flow characteristics at ungauged catchments in a balanced and systematic way, to provide a recent documentation of the subject and trace the most recent trends in low flow regionalization. The review focuses on methods, which are based on diverse methods that is the statistical, seasonal approach which are commonly used for the estimation of low flow characteristics in ungauged sites and which can be adopted in Polish conditions. Material and methods The paper examines the variety of literature sources published primarily during the last two decades. The most popular approaches to regionalization of watersheds are described: methods of residuals pattern approach, multivariate statistics such as cluster analysis, Classification and Regression Tree (CART) models or seasonality of low flows. Results and conclusions The described regional regression approach for low flow estimation in ungauged catchments, which correlates low flow indices and catchment characteristics, is the most widely used method. The methods were chosen because they differ in terms of methodological approach to using statistical methods. Also, the methods described in the article are “universal”, which means that they can be adopted for different regions, countries, including Poland; they are interdisciplinary, and can be adopted for low flow calculation as well as average or flood flows.

PL

Cel pracy Celem artykułu jest przedstawienie metod szacowania charakterystyk przepływów niskich w zlewniach niekontrolowanych, przegląd aktualnej literatury tematu oraz najnowszych trendów regionalizacji przepływów niskich. W artykule skupiono się na metodach opierających się na różnorodnym podejściu, między innymi statystycznym, które mogą być zaadoptowane do warunków polskich, a także sezonowości występowania przepływu niskiego. Materiał i metody W pracy powołano się na różnorodne źródła literaturowe, skupiając się przede wszystkim na tych opublikowanych w ciągu ostatnich dwóch dekad. Scharakteryzowano najpopularniejsze podejścia regionalizacji zlewni, takie jak: metody oparte na analizie reszt, statystyki wielowymiarowe: analiza skupień, modele drzew klasyfikacyjnych i regresyjnych (CART) czy sezonowości przepływów niskich. Wyniki i wnioski Opisane w pracy podejście oparte na regresji regionalnej jest najczęściej stosowaną metodą do szacowania przepływów niskich w zlewniach niekontrolowanych, wykorzystujące zależność pomiędzy charakterystyką przepływu niskiego i parametrami zlewni. Regiony hydrologicznie homogeniczne można wyodrębnić wykorzystując w tym celu metody statystyczne. Te opisane w pracy zostały wybrane ze względu na różnice w podejściu metodologicznym. Dodatkowo, są one „uniwersalne” co oznacza, że mogą być stosowane w różnych regionach, krajach, w tym w Polsce; mają charakter interdyscyplinarny i mogą być stosowane do obliczeń przepływów niskich, jak również średnich lub powodziowych.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus
• Rocznik: 2020
• Tom: 19
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.21-35,fig.,ref.

Twórcy

autor

Cupak A.

• Department of Sanitary Engineering and Water Management, University of Agriculture in Krakow, al.Adama Mickiewicza 24/28, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Ahuja, S. (2012). Regionalization of River Basins Using Cluster Ensemble. Journal of Water Resource and Protection, 4, 560–566.
• Arai, F.K., Pereira, S.B., Goncalves, G.G.G. (2012). Characterization of water availability in a hydrographic basin. Engenharia Agricola, Jaboticabal. 32, 3, 591–601.
• Aschwanden, H., Kan, C. (1999a). Le débit d’étiage Q347-Etat de la question. Communications hydrologiques, 27, Servies hydrol. et geol. National, Berne.
• Aschwanden, H., Kan, C. (1999b). Niedrgwasser-Grundlagen zur Bestmmung der Abflussmenge Q347. Tafel 5.8 in: Hydrologischer Atlas der Schwez, 3. Lieferung. Landeshydrologie und geologie, Berm, Switzerland.
• Breiman, L., Friedman, J.H., Olshen, R., Stone, C.J. (1984). Classification and regression trees. Belmont: Wadsworth International Group.
• Burn, D.H. (1989). Cluster analysis as applied to regional flood frequency – analysis. Journal of Hydrology, 104 (1–4), 345–361.
• Burn, D.H. (1997). Catchments Similarity for Regional Flood Frequency Analysis Using Seasonality Measures. Journal of Hydrology, 202(1), 212–230.
• Burn, D.H., Boorman, D.B. (1993). Estimation of hydrological parameters at ungauged catchments, J. Hydrol. 143, 429–454.
• Burn, D. H., Goel, N. K. (2000). The formation of groups for regional flood frequency analysis. Hydrol. Sci. J., 45(1), 97–112.
• Byczkowski, A. (1972). Hydrologiczne podstawy projektowania budowli wodno-melioracyjnych. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne.
• Clarke, R.T. (1977). A review of research on methods for extrapolation of data and scientific findings from representative and experimental basins. Technical Documents in Hydrology, Paris: UNESCO.
• Cupak, A. (2013). Regionalization of catchments with use hierarchical cluster analysis methods. Teka Kom. Ochr. Kszt. Środ. Przyr. – OL PAN, 10, 5–13.
• Cupak, A. (2017). Initial results of nonhierarchical cluster methods use for low flow grouping. Journal of Ecological Engineering, 18(2), 44–50.
• Cupak, A., Wałega, A., Michalec, B. (2017). Cluster analysis in determination of hydrologically homogeneous regions with low flow. Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 16(1), 53–63.
• Demuth, S. (1989). Small research basin studies. In: Regimes from Experimental and Network Data (FRIEND), vol. I Hydrological Analysis, ed. By A. Gustard, L. Roald, S. Demuth, H. Lumadjeng and R. Gross, 141–186. Institute of Hydrology, Wallingford, UK.
• Demuth, S., Young, A.E. (2004). Regionalisation procedures. In: Tallaksen L.M., van Lanen H.A.J. (Eds.), Hydrological Droughts: Processes and Estimation Methods for Streamflow and Groundwater Developments in Water Science, 48, Elsevier.
• Dikbas, F. Firat, M. Koc, C.A., Gungor, M. (2013). Defining homogenous regions for streamflow processes In Turkey Rusing k – means clustering method. Civil engineering, 38, 1313–1319.
• Engeland, K., Hisdal, H. (2009). A comparison of low flow estimates in ungauged catchments using regional regression and HBV-Model. Water Resour Manage 23(12), 2567–2586.
• Gottschalk, L. (1985). Hydrological regionalization of Sweden. Hydrological Sciences Journal 30, 1, 65–83.
• Gustard, A., Bullock, A., Dixon, J.M. (1992). Low flow estimation in the United Kingdom. Institute of Hydrology. Report No. 108.
• Gustard, A., Gross, R. (1989). Low flow regime of Northern and Western Europe. In: FRIENDS in Hydrology (Proc. 1st Int. FRIEND Symp., Bolkesjø, Norway, April 1989), 205–212, IAHS Publ. no. 187.
• Gustard, A., Roald, L.A., Demuth, S., Lumadjeng, H.,S., Gross, R., Arnell, R. (1989). Flow regime from Experimental Network Data, vol. 1 Hydrological Studies. Wallingford, UK: Institure Of Hdrology.
• Hayes, D.C. (1992). Low flow characteristics of streams in Virginia. US Geological Survey, Water Supply Paper 2374.
• Hosking, J.R.M., Wallis, J.R. (1997). Regional frequency analysis: an approach based on L-moments. Cambridge University Press, New York, USA.
• Jokiel, P., Stanisławczyk, B. (2016). Zmiany i wieloletnia zmienność sezonowości przepływu wybranych rzek Polski. Prace Geograficzne 144, 9–33.
• Kahya, E., Demirel, M.C. (2007). A comparison of low-flow clustering methods: streamflow grouping. Journal of Engineering and Applied Sciences 2(3), 524–530.
• Kohnová, S., Hlavčová, K., Szlogay, J., Števková, A. (2009). Seasonality analysis of the occurrence of low flows in Slovakia. International Symposium on Water Management and Hydraulic Engineering, Ohrid, Macedonia 1–5 September, 711–720.
• Kowalczak, P. (1986). Metoda typologii hydrograficznej niehierarchiczną analizą skupień (na przykładzie dorzecza górnej Noteci) In: Niektóre problemy metodyczne w hydrologii pod red. Z. Mikulskiego. Dokumentacja Geograficzna. Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania, 2, PAN, 38049.
• Kozek, M. (2018). Spatial variability of low flows in the upper Warta river catchment. Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus, 17 (3), 67–76.
• Laaha, G. (2002). Modelling summer and winter droughts as a basis for estimating river low flow. In: FRIEND 2002 – Regional Hydrology. IHAS Publ. 274, 289–295.
• Laaha, G. (2006). Process based regionalisation of low flows. Wien, Wiener Mitteilungen, 8–53.
• Laaha, G., Blöschl, G. (2006a). A comparison of low flow regionalisation methods-catchment grouping, Journal of Hydrology 323, 193–214.
• Laaha, G., Blöschl, G., (2006b). Seasonality indices for regionalizing low flows. Hydrol. Process. 20, 3851–3878.
• Laaha, G., Blöschl, G. (2007). A national low flow estimation procedure for Austria. Hydrological Science Journal, 52(4), 625–644.
• Lecce, S.A. (2000). Spatial variations in the timing of annual floods in the southeastern United States. Journal of Hydrology, 235, 151–169.
• Lin, G.W., Chen, L.H. (2006). Identification of homogeneous regions for regional frequency analysis using self-organizing map. Journal of Hydrology, 324,1–9.
• Mandal U., Cunnane, C. (2009). Low-flow prediction for unguaged river catchments in Ireland. Irish National Hydrology Seminar 2009.
• Mazvimavi, D., Meijerink, A.M.J., Savenije, H.H.G., Stein, A. (2005). Prediction of flow characteristics using multiple regression and neural networks: A case study in Zimbabwe, Physics and Chemistry
• Nathan, R.J. (1990). Low flow hydrology: Application of a system approach, PhD, University of Melbourne, June.
• Nathan, R.J., McMahon, T.A. (1992). Estimating low flow characteristics in unguaged catchments. Water Resources Management 6, 85–100.
• Parajka, J., Merz, R., Bloschl, G. (2005). A comparison of regionalisation methods for catchment model parameters. Hydrol. Earth Sys. Sci. Discuss 2, 509–542.
• Pruski, F.F., Rodriguez, del R.G., Nunes, A.A., Pruski, P.L., Singh, V.P. (2015). Low-flow estimates in regions of extrapolation of the regionalization equations: a new concept. Journal of the Brazilian Association of Agricultural Engineering, 35, 5, 806–816.
• Punzet, J. (1981). Empiryczny system ocen charakterystycznych przepływów rzek i potoków w karpackiej części Dorzecza Wisły. Wiadomości IMGW, 1 – 2, 31–39.
• Rao, A.R., Srinivas, V.V. (2003). Some problems in regionalization of watersheds. Water Resources Systems-Water Availability and Global Change, IAHS Publ., 280, 301–308.
• Rao, A.R., Srinivas, V.V. (2006a). Regionalization of watersheds by fuzzy cluster analysis. Journal of Hydrology, 31(1–4), 37–56.
• Rao, A.R., Srinivas, V.V (2006b). Regionalization of watersheds by hybrid cluster analysis. Journal of Hydrology, 31(1–4), 57–79.
• Rao, A.R., Srinivas, V.V. (2008). Regionalization of Watersheds. An approach based on cluster analysis, Springer.
• Riggs, H.C. (1990). Estimating flow characteristics at ungauged sites. In: Regionalisation in Hydrology. Proceeding of the Ljubljana Symposium, April 1990, IAHS Publication No 191.
• Schreiber, P., Demuth, S. (1997). Regionalization of low flows in southwest Germany. Hydrol. Sci. J. 42 (6), 845.
• Shu, Ch., Burn, D.H. (2003). Spatial patterns of homogeneous pooling groups for flood frequency analysis. Hydrol. Sci. J. 48, 4, 601–618.
• Skop, E., Loaiciga, H.A. (1998). Investigating catchment hydrology and low-flow characteristics using GIS. Nordic Hydrol. 29(2), 105–128.
• Smakhtin, V.U. (2001). Low flow hydrology: a review. Journal of Hydrology 240,147–186.
• Števková, A., Sabo, M., Kohnová, S. (2012). Pooling of low flow regimes using cluster and principal component analysis. Slovak Journal of Civil Engineering, XX, 2, 19–27.
• Tomaszewski, E. (2018). Drought streamflow deficits assessment, applying constant and variable threshold levels, as illustrate with the example of selected catchments in the Vistula river basin. Acta Sci. Pol. Formatio Curcumiectus 17(3), 205–216.
• Ustawa Prawo wodne z dnia 20 lipca 2017 roku. Dz. U. 2017 poz. 1566.
• Vezza, P., Compoglio, C., Rosso, M., Viglione, A. (2010). Low Flows Regionalization in North-Western Italy, Water Resours. Manage 24, 4049–4074.
• Vogel, R.M., Kroll, C.N. (1992). Regional geohydrologic-geomorphic relationships for the estimation of low flow statistics. Water Resources Research 28(2), 2451–2458.
• Wałęga, A., Młyński, D. (2017). Seasonality Of Median Monthly Discharge In Selected Carpathian Rivers Of The Upper Vistula Basin. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, July 2017, 12,2, 617–628.
• Wałęga, A., Młyński, D., Kokoszka, R. (2014). Weryfikacja wybranych metod empirycznych do obliczania przepływów minimalnych i średnich w zlewniach dorzecza Dunajca. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich Nr II/3, 825–837.
• Ward, Jr. J.H. (1963). Regional flood frequency analysis II. Multivariate classification of drainage basins in Britain. Hydrological Sciences Journal, 31(3), 335–346.
• WMO: World Meteorological Organization. (1974). International glossary of hydrology, WMO, Geneva.
• www.encyklopedia.pwn.pl.
• Ziernicka-Wojtaszek, A., Kaczor, G. (2013). Wysokość i natężenie opadów atmosferycznych w Krakowie i okolicach podczas powodzi w okresie maj-czerwiec 2010. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 12(2), 143–151.